《Materials Science in Semiconductor Processing》：Process optimization of AlGaInP red micro-LED arrays with a 3.75 μm pitch
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晶圆键合技术制备的0.12英寸红微LED显示屏像素密度达6773 PPI，通过SiO?掩模优化减少基座膨胀，采用Ti层替代Cr层防止剥离，结合BCB减薄和硬掩模减薄降低ITO层断裂，实现全屏点亮并验证光电性能。
梁天|王涛|程飞|唐天|柴园园|袁新|秦正|赵勇洲
南京理工大学智能制造学院，南京，210094，中国
摘要
本研究报道了利用晶圆键合技术在硅基底上制备了0.12英寸的红色微LED显示器。该被动发光阵列的分辨率为496×660，像素间距为3.75微米，从而实现了每英寸6773个像素（PPI）的像素密度。系统地阐明了制备过程中遇到的技术挑战和优化策略。特别是，采用了SiO2层作为蚀刻掩模，以解决使用光刻胶作为掩模时台面基底扩大的问题。此外，选择Ti代替Cr作为粘合金属层，以防止金属蚀刻过程后台面的严重脱落。另外，分别进行了硬掩模减薄和苯并环丁烯（BCB）减薄处理，以减少相邻像素之间氧化铟锡（ITO）层的破损。在优化的工艺条件下，红色微LED阵列能够成功全屏点亮。最后，对微LED阵列的光电性能进行了研究。
引言
微LED显示器具有显著的优势，包括鲜艳的颜色、高对比度、低能耗和快速响应时间[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。随着人工智能（AI）和大型模型的快速发展，基于AI的增强现实（AR）和虚拟现实（VR）眼镜的潜力得到了极大扩展。最新的AR/VR眼镜配备了像素密度达到6600 PPI的微LED显示芯片。鉴于这些显示应用所需的超高像素密度，通过传统的大规模转移和键合技术将微LED芯片与驱动基板集成变得非常具有挑战性[[7], [8], [9], [10], [11]]。
目前，有两种主要方法用于将微LED阵列与驱动背板集成：倒装芯片键合[[12], [13], [14], [15], [16]]和晶圆键合技术[[17], [18], [19], [20], [21]]。例如，王等人利用倒装芯片键合技术，通过金属凸点将微LED芯片连接到CMOS驱动背板，成功制备了像素密度为3175 PPI、像素尺寸为6微米的红色微LED显示器[[22]]。然而，随着显示设备像素密度的不断提高，对极高对准精度的要求也更加明显。同时，当像素尺寸低于5微米时，制造超小且高度均匀的金属凸点变得越来越复杂[[23,24]]。相反，赵等人使用晶圆键合技术在硅晶圆上实现了不同像素尺寸的红色微LED阵列，最大像素密度达到了2000 PPI，对应的像素尺寸为8微米[[25]]。显然，晶圆键合技术在制备高密度微LED阵列方面具有明显优势，因为它避免了精确对准和复杂的大规模转移过程的需要。然而，当像素尺寸缩小到2微米以下时，制备过程的复杂性显著增加，因为光刻和蚀刻必须达到极精细的图案化和均匀性。当像素尺寸达到1.8微米时，传统的光学检测技术无法可靠地评估器件结构或产量，因此需要采用电子显微镜等替代检测方法。这些工艺挑战突显了全面过程控制的重要性，因为即使是微小的偏差也可能导致器件失效。
在本研究中，利用晶圆键合技术制备了像素间距为3.75微米的红色微LED阵列，实现了超高的像素密度6773 PPI。通过系统地优化制备过程，获得了所需的显示质量。首先，研究了不同台面蚀刻掩模对最终台面形态的影响。此外，有效解决了金属蚀刻后大面积台面脱落的问题。进一步改进了沟槽填充工艺，以减少像素之间ITO层的破损。最后，对微LED阵列的光电性能进行了表征和分析。这项工作为高密度红色微LED显示器的发展提供了重要见解，并为未来的研究指明了进一步优化的方向。
实验部分
实验方法
红色微LED结构是在GaAs基底上使用金属有机化学气相沉积技术生长的。p侧向上的外延结构包括几层：n-GaAs接触层、n-AlInP包层、AlGaInP多量子阱、p-AlInP包层和p-GaP窗口层。外延层的总厚度为1.3微米，这有助于制备高像素密度的微LED。
如图1所示，p金属层
台面蚀刻优化
在台面蚀刻过程中，通常使用光刻胶作为蚀刻掩模。图2a展示了蚀刻前的光刻胶掩模的形态，其轮廓相对圆润。图2b显示了蚀刻后的光刻胶掩模形态。值得注意的是，光刻胶的轮廓变得非常清晰，类似于火箭头部。如图2c所示，台面侧壁呈现出两个不同的角度，导致台面底部尺寸增大，像素间的间距减小。
结论
本研究设计并制备了一种0.12英寸的红色微LED显示器阵列，像素间距为3.75微米，采用晶圆键合技术实现。通过优化关键工艺，显著提高了微LED阵列的发光效率。具体来说，使用SiO2层作为蚀刻掩模，减少了台面基底的尺寸并改善了侧壁形态。此外，Ti/Pt/Ti多层结构作为粘合层，有效解决了台面脱落的问题。
CRediT作者贡献声明
梁天：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，研究，正式分析，数据管理。王涛：资源获取，方法论，正式分析，概念化。程飞：验证，监督，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。唐天：项目管理，资金获取。柴园园：方法论，概念化。袁新：研究，正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（62305165）和重庆市技术创新与应用开发专项（CSTB2023TIAD-KPX0017）的支持。
